COMUNICAÇÃO DIRETA ENTRE DISPOSITIVOS COM WIFI
PARTE 1 – CONCEITO

1. INTRODUÇÃO

Dada a ampla adoção de WiFi em diversos tipos de dispositivos, um caminho natural para a tecnologia progredir é direcionar para a conectividade de dispositivo para dispositivo, ou seja, sem a necessidade da presença de um ponto de acesso (AP). Este é o propósito da tecnologia WiFi Direct, que foi recentemente desenvolvida pela WiFi Alliance.

2. CONTEXTO E VISÃO GERAL

Mais de uma década depois de sua concepção inicial, o padrão IEEE 802.11, tornou-se uma das formas mais comuns para acessar a Internet. No entanto, para continuar com seu sucesso impressionante da tecnologia WiFi precisa evoluir e abraçar um conjunto maior de casos de uso.
Conectividade direta de dispositivo para dispositivo já foi possível no padrão IEEE 802.11 original por meio do modo de operação ad-hoc. No entanto, este nunca se tornou amplamente utilizados no mercado e, portanto, apresenta vários inconvenientes quando enfrenta hoje em dia requisitos como, economia de energia eficiente ou melhoria da qualidade de serviço.
Outra tecnologia WiFi relevante de comunicações de dispositivo para dispositivo é o 802.11z, também conhecida como instalação de ligação direta em túnel (TDLS), que permite a comunicação direta de dispositivo para dispositivo, mas requer que estações sejam associadas com o mesmo AP.
Ao contrário das tecnologias anteriores, a tecnologia WiFi Direct tem uma abordagem diferente para melhorar a conectividade de dispositivo para dispositivo. Em vez de aproveitar o modo ad-hoc de operação, WiFi Direct se baseia no modo da infra-estrutura bem sucedida  IEEE 802.11 e permite que dispositivos negociem quem vai assumir as funcionalidades semelhantes a AP. Assim, os dispositivos WiFi legados podem facilmente se conectar a dispositivos WiFi Direct. Ao tomar esta decisão, WiFi Direct imediatamente herda toda a qualidade de serviço, economia de energia e mecanismos de segurança, por exemplo, desenvolvidos para o modo de infra-estrutura WiFi nos últimos anos. Entretanto, sendo WiFi Direct uma especificação recente, sua implantação ainda está em uma fase muito precoce.

3. VISÃO TÉCNICA

Em uma rede de WiFi típica, o cliente descobre e associa-se a WLANs, que são criadas e anunciadas pelos pontos de acesso (APs). Neste modo, um dispositivo sem ambiguidade se comporta tanto como um AP ou como um cliente, cada uma dessas funções envolvem um conjunto diferente de funcionalidades. A grande novidade do WiFi Direct é que esses papéis são especificados como dinâmicos, e, portanto, um dispositivo WiFi Direct tem para implementar tanto o papel de um cliente como o papel de um AP (por vezes referido como Soft-AP). Esses papéis são, portanto, os papéis lógicos que poderiam até mesmo ser executados simultaneamente no mesmo dispositivo, por exemplo, usando freqüências diferentes (se o dispositivo tem vários rádios físicas) ou de partilha de tempo, o canal por meio de técnicas de virtualização. Para estabelecer uma comunicação os dispositivos P2P tem que concordar com o papel que cada dispositivo irá assumir.

a.       Arquitetura

Dispositivos WiFi Direct, formalmente conhecidos como dispositivos de P2P, comunicam através do estabelecimento de Grupos de P2P, que são funcionalmente equivalentes aos tradicionais, existentes nas redes de infra-estrutura Wi-Fi.
O dispositivo que implementa a funcionalidade AP no Grupo P2P é referido como o proprietário do Grupo P2P (P2P GO), e dispositivos que atuam como clientes são conhecidos como clientes P2P. Dado que esses papéis não são estáticos, quando dois dispositivos P2P descobrem uns aos outros que eles negociam seus papéis (P2P Cliente e GO P2P) para estabelecer um Grupo de P2P. Uma vez que o Grupo P2P é estabelecido, outros clientes P2P podem se juntar ao grupo como em uma rede WiFi tradicional. Clientes legados também podem se comunicar com o GO P2P, contanto que eles não sejam dispositivos somente 802.11b e suportem os mecanismos de segurança necessários. Desta forma, os dispositivos legados não pertencem formalmente ao Grupo P2P e não suportam as funcionalidades melhoradas definidas no WiFi Direct, mas eles simplesmente “veêm” o GO P2P como um tradicional AP.
A natureza lógica dos papéis P2P suporta diferentes implementações arquitetônicas, duas delas ilustradas na Figura 1.

Figura 1 – Exemplo de topologias suportadas por WIFI Direct

A parte superior da figura representa um cenário com dois grupos P2P. O primeiro grupo é criado por um telefone móvel que compartilha sua conexão 3G com dois laptops, para este primeiro grupo, o telefone está agindo como GO P2P, enquanto os dois laptops se comportam como clientes P2P. A fim de ampliar a rede, um dos laptops estabelece um segundo grupo P2P com uma impressora, para este segundo grupo, o laptop funciona como GO P2P. A fim de atuar tanto como cliente P2P e como P2P GO, o portátil vai tipicamente alternar entre as duas funções de partilha de tempo a interface Wi-Fi. A parte inferior da figura 1 ilustra o caso de um laptop acessando a Internet através de uma infra-estrutura legada AP e, ao mesmo tempo atua como streaming de conteúdo para um televisor através da criação de um Grupo de P2P, onde o laptop funciona como P2P GO.
Como um AP tradicional, a GO P2P anuncia-se através de sinalizadores, e tem de suportar serviços de economia de energia para os clientes associados. A GO P2P também é necessário para executar um servidor Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) para fornecer aos clientes P2P com endereços IP. Além disso, apenas ao GO P2P é permitido ligar os dispositivos no seu grupo P2P à uma rede externa (por exemplo, uma rede 3G ou uma infra-estrutura sem fios, como mostrado na Figura 1), e por isso não é permitido ponte de ligação cruzada. Portanto, a conexão deve ser feita na camada de rede, tipicamente implementada usando Network Address Translation (NAT).
Finalmente, WiFi Direct não permite transferir o papel de GO P2P dentro de um Grupo de P2P. Desta forma, se o GO P2P deixa o Grupo P2P então o grupo é derrubado, e tem que ser restabelecido usando alguns dos procedimentos especificados.
Existem várias maneiras em que dois dispositivos podem estabelecer um grupo de P2P, dependendo, por exemplo, se eles têm que negociar o papel de GO P2P, ou se existe alguma informação de segurança pré-compartilhada disponível.

b.      Duas Camadas de Descoberta de Serviços
Uma característica marcante do WiFi Direct é a capacidade de suportar a descoberta de serviços na camada de enlace. Desta forma, antes da criação de um Grupo de P2P, dispositivos P2P pode trocar consultas para descobrir o conjunto de serviços disponíveis e, com base nisso, decidir se quer continuar a formação do grupo ou não. Note que esta representa uma mudança significativa a partir de redes WiFi tradicionais, onde presume-se que o único serviço que interessa aos clientes é a conectividade Internet.

c.       Segurança
O provisionamento de segurança começa após a descoberta e, se necessário, os respectivos papéis serem negociados. Dispositivos WiFi Direct são obrigados a implementar WiFi Protected Setup (WPS) para suportar uma conexão segura com intervenção mínima do usuário. Em particular, WPS permite estabelecer uma conexão segura, por exemplo, a introdução de um PIN no cliente de P2P, ou apertar um botão nos dois dispositivos P2P.
A operação de WPS é composta de duas partes. Na primeira parte o registrador  interno é responsável por gerar e emitir as credenciais de rede, ou seja, chaves de segurança, para o cliente. WPS é baseada em segurança WPA-2 e usa o Advanced Encryption Standard (AES)-CCMP como cifra, e um Pre-Shared Key gerado aleatoriamente (PSK) para autenticação mútua. Na segunda parte  o cliente (P2P Client) desassocia-se e reconecta-se usando suas novas credenciais de autenticação. Deste modo, se dois dispositivos já têm as credenciais de rede, não há nenhuma necessidade de se desencadear a primeira parte, e podem exercer diretamente a autenticação.

d.      Economia de Energia
Usando o WiFi Direct, dispositivos com restrições de bateria podem agir normalmente como P2P GO (soft-AP), e, portanto, a eficiência energética é de importância capital. No entanto, os mecanismos de economia de energia nas atuais redes WiFi não estão definidos para APs, mas apenas para os clientes. Observe que, com WiFi Direct, um cliente P2P pode se beneficiar dos protocolos de economia de  energia existentes no Wi-Fi, ou seja, o legado modo de economia de energia ou UAPSD. A fim de apoiar a economia de energia para a AP, WiFi Direct define dois novos mecanismos de economia de energia:
Protocolo de economia de  energia oportunista e o Protocolo de Aviso de Ausência (NoA).

•       economia de energia oportunista: A idéia básica da economia de energia oportunista é aproveitar os períodos de sono de clientes P2P. O mecanismo pressupõe a existência de um protocolo legado de economia de energia. A GO P2P anuncia uma janela de tempo que especifica a quantidade mínima de tempo, após a recepção de um aviso durante o qual o GO P2P vai ficar acordado e, portanto, clientes P2P em economia de energia podem enviar seus quadros. Após esta janela o GO P2P determina que todos os clientes conectados estão em estado de cochilo. O GO P2P pode entrar em modo de espera até o próximo aviso previsto, mas se um cliente P2P deixa o modo de economia de energia, o GO P2P é forçado a ficar acordado até que todos os clientes P2P retornem ao modo de economia de energia.
• Aviso de Ausência: O Protocolo de Aviso de Ausência (NoA) permite um P2P GO anunciar os intervalos de tempo, onde os clientes P2P não estão autorizados a acessar o canal, independentemente se eles estão em economia de  energia, ou em modo ativo. Desta forma, a GO P2P pode autonomamente decidir desligar seu rádio para economizar energia.

4. CONCLUSÕES

Depois de um enorme sucesso em que WiFi tornou-se a forma predominante de acesso à Internet sem fios, agora é abraçar o desafio de se tornar difundida também as comunicações diretas entre dispositivos. WiFi Direct é uma tecnologia relativamente nova definida pela WiFi Alliance que visa reforçar a comunicação direta entre dispositivos Wi-Fi. Assim, dada a ampla base de dispositivos com capacidades Wi-Fi, e o fato de que ele pode ser totalmente implementado no software sobre rádios WiFi tradicionais, esta tecnologia deverá ter um impacto significativo no cenário P2P.